Start vom Kosmodrom Baikonur; Landung 75 km westlich von Karaganda.

Erstmals in der Geschichte der bemannten Raumfahrt erfolgte ein Nachtstart. Zu den Aufgaben der Besatzung gehörten visuelle und fotografische Beobachtung der Erdoberfläche sowie verschiedene astrophysikalische und physiologische Experimente. Nach einigen Tagen funktionierte eine Solarzelle nicht richtig, was aber keine gravierenden Auswirkungen auf die Mission hatte. Die Kapsel wurde nunmehr in eine langsame Rotation zur Sonne versetzt, um eine möglichst lange Sonneneinstrahlung auf das Sonnenpaddel zu haben, weil sich sonst die Batterien erschöpfen könnten. Kosmonautin Walentina Tereschkowa und ihre Tochter hatten zwischenzeitlich Gelegenheit mit Ehemann und Vater Andrijan Nikolajew über Funk zu sprechen. Der Flugtag 10 war für die Kosmonauten ein freier Tag, sie nutzten das, um mit Kosmonaut Wiktor Gorbatko auf der Erde über Funk Schach zu spielen.

Am fünften Tag erörterten die Kosmonauten mit der Bodenstation Notlandemaßnahmen, denn wenn die Batteriespannung unter einen kritischen Wert fiel, musste Sojus 9 innerhalb von zwei Stunden zur Erde zurückkehren, möglicherweise außerhalb der Sowjetunion. Ein Ablesefehler an den Instrumenten konnte jedoch nicht ausgeschlossen werden.

Ab dem neunten Flugtag verschlechterte sich der Zustand der Kosmonauten wieder. Sie nahmen zu wenig Flüssigkeit zu sich und verbrauchten zu wenig Sauerstoff. Der zehnte Tag war ein Ruhetag, an dem die Besatzung keine Experimente betreuen musste.

Ab Flugtag 13 hatten die Kosmonauten aber mit Müdigkeit und Konzentrationsproblemen zu kämpfen, die in einigen kleineren Fehlern mündeten. Die Bodenstation beschloss, die Wetterbedingungen in den vorgesehenen Landegebieten ständig zu überwachen, so dass eine Landung schnell eingeleitet werden konnte, jedoch verbesserte sich der Zustand der Kosmonauten am Folgetag.

Am 15. Flugtag betätigte Witali Sewastjanow versehentlich das automatische Landesystem. Dies blieb zwar ohne Konsequenzen, aber die gleiche Fehlbedienung war schon bei Sojus 7 aufgetreten, und man hatte die angeforderte Sicherung nicht angebracht. Am Nachmittag verschlechterte sich die Atmosphäre an Bord: die Atemluft enthielt zu wenig Sauerstoff und zu viel Kohlendioxid. Ein Austausch der Kartuschen im Lebenserhaltungssystem brachte die Atmosphäre wieder auf normale Werte.

Die Landung verlief ohne Schwierigkeiten. Ab einer Höhe von 83 km hatte eine sowjetische Radarstation die Landekapsel geortet, später waren Hubschrauber in Sichtkontakt, noch während die Kapsel am Fallschirm niederging. Bereits eine Minute nach der Landung waren Bergungsmannschaften an der Kapsel.
Allerdings hatte man seitens der Sowjets offensichtlich die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper unterschätzt. Die Kosmonauten konnten nicht gehen und mussten gestützt werden, nachdem sie aus der Kapsel herausgekommen waren. Die Kosmonauten wirkten ausgesprochen krank. Es waren auch keine Vorbereitungen getroffen worden, um ihnen die Rückkehr zu erleichtern (z.B. Sessel, wie es heute üblich ist). Sie wurden aber anschließend in ein Krankenhaus transportiert. Alles in allem gelang es jedoch, mit diesem Flug einen neuen Langzeitrekord aufzustellen. Aber es war auch der letzte Rekord, der von einem Raumschiff aufgestellt wurde, das nicht an einer Orbitalstation angedockt sein würde.